Отчет по учебной практике
Рисунок 6. GMR-технология под крышкой жесткого диска
жүктеу/скачать 0,59 Mb.
|
Бельчевичена 2215 Гальваноупругий магнитный эффект(магнитосопротивлении) (1)
- Бұл бет үшін навигация:
- 2.2GMR/MEMS-датчик ускорения
- 2.3Угловые датчики
Рисунок 6. GMR-технология под крышкой жесткого дискаhttps://www.google.com/url?sa=i&url=https%3A%2F%2Fwww.osp.ru%2Fpcworld%2F2007%2F01%2F4105068&psig=AOvVaw07qXCKXNzoEbqW45m_QQWz&ust=1681190527530000&source=images&cd=vfe&ved=0CA4QjRxqFwoTCNjL-_PInv4CFQAAAAAdAAAAABAD 2.2GMR/MEMS-датчик ускорения Как видно, GMR-структуры изготавливаются методами нанотехнологии. Поэтому не удивительны работы по объединению их с микро- и нанокомпонентами. И здесь интерес представляет GMR/MEMS-датчик ускорения, разработанный специалистами Лаборатории реактивных двигателей Калифорнийского института технологии, Космического центра Линдона Джонсона, Университета Райса и Исследовательского центра Лэнгли. До сих пор датчики ускорения в основном выполняются на основе электромеханических, пьезоэлектрических, пьезорезистивных и емкостных элементов. Данных о GMR-датчиках ускорения пока мало. Рассматриваемый GMR/MEMS-датчик ускорения содержит мембрану из нитрида кремния толщиной 0,5 мкм, формируемую объемной обработкой кремниевой подложки; магнитно-твердую тонкую пленку, напыленную поверх мембраны, и GMR-элемент, изготовленный путем вакуумного напыления пленок на вторую кремниевую подложку. При сборке GMR/MEMS-датчика оба кристалла соединяются методом анодной сварки. Датчик определяет ускорение, регистрируя изменение магнитного поля, вызванное смещением мембраны с магнитно-твердой пленкой. Типичная структура GMR-элемента — Si-SiO2-Ta-Cu-Co-FeN-Ta. Слой кобальта между проводящим слоем меди и пермаллоя предотвращает смешение меди и пермаллоя, наблюдаемое при температуре датчика менее 200°С. Толщина слоев GMR-структуры составляла 30–40 нм. В качестве материала магнитно-твердой пленки использовался CoCrTaPt, FePt или CoPt. 2.3Угловые датчики Технология гигантского магнитосопротивления нашла коммерческое применение во многом благодаря небольшой американской компании NVE, первые разработки которой проводились в рамках программы перспективной технологии (Advanced Technology Program – ATP) Национального института по стандартам и технологиям (National Institute of Standards and Technology – NIST). При поддержке NIST специалистами компании NVE на базе GMR-резистора со структурой спинового вентиля создан датчик, регистрирующий угловое положение в пределах 360° [4]. Структура SV-датчика, как указывалось ранее, благодаря возможности получения большого выходного сигнала, малым размерам и простоте освоения массового производства нашла широкое применение в головках считывания. Это и послужило стимулом к созданию другого типа магнитного датчика, а именно углового датчика, не требующего физического контакта для формирования входного сигнала и отличающегося высокой износостойкостью. Спиновой затвор имел структуру Ta-NiFeCo-CoFe-Cu-CoFe-Ru-CoFe-CrMnPt. Напряженность магнитного поля фиксированного слоя с трехслойной синтетической антиферромагнитной структурой (Synthetic Antiferromagnet – SAF) состава CoFe-Ru-CoFe превышала 500 Э (максимальное значение, используемое при испытаниях). Такое значение обусловлено нулевым конечным магнитным моментом в результате сильной встречно-параллельной связи между двумя слоями CoFe одинаковой толщины через тонкий слой рутения. Обменный слой, обеспечивающий фиксированную ориентацию магнитного поля SAF-структуры, – CrMnPt – отличался высокими температурой блокировки и термической стабильностью после отжига при температуре 250°С в течение часа. В качестве мягкого магнитного материала со свободно ориентированным полем, не вызывающего деградацию GMR-датчика, использовалась двухслойная структура NiFeCo–CoFe. Коэрцитивная сила вдоль оси легкого намагничивания поля этого слоя составляла ~4 Э. Сопротивление SV-резистора R зависит от угла θ между свободно ориентированным и фиксированным магнитными полями: R/Rp = 1 + 1/2GMR(1 - cosθ), где Rp – минимальное сопротивление структуры при параллельной ориентации обоих полей и GMR — максимальный коэффициент гигантского магниторезистивного эффекта. При подаче внешнего магнитного поля, напряженность которого больше, чем у поля насыщения слоя со свободной ориентацией, и меньше, чем у фиксированного поля, свободное поле ориентируется соответственно внешнему магнитному полю. Таким образом, значение магнитосопротивления будет определяться косинусом угла θ. Но изменение сопротивления точно определяется в диапазоне от 0 до 180°. Для получения датчика углового положения на диапазон 360° необходим второй резистор со структурой спинового вентиля и с задержкой сигнала относительно первого на 90°. Сопротивление одного будет определять cosθ, сопротивление второго – sinθ. Для компенсации теплового дрейфа, неизбежного при работе прибора в реальных условиях, как правило, датчик измерения углового положения на основе SV-резисторов выполняется в виде двух полумостов Уитстона. Полное сопротивление одного полумоста в такой схеме равно значениям включенных последовательно сопротивлений SV-резисторов, причем сопротивление одного плеча полумоста зависит от -sinθ, а сопротивление второго плеча – от sinθ. Аналогично, сопротивление второго полумоста равно значениям включенных последовательно сопротивлений спиновых затворов, зависящих от -cosθ и cosθ. Напряжение на такой мост подается от одного источника питания на постоянное или переменное напряжение. А выходные сигналы полумостов выводятся самостоятельно, а не как дифференциальный сигнал двух узлов, как обычно в GMR-датчиках на основе моста Уитстона. В угловом датчике совместно с GMR-элементом используется дискообразный постоянный магнит, поле которого параллельно его плоскости. Магнит крепится на вращающемся валу и располагается вблизи датчика. Как указывалось ранее, при вращении магнита сопротивление GMR-элемента является функцией косинуса или синуса угла между вращающимся постоянным магнитом и неподвижным датчиком. GMR-элемент на основе моста Уитстона с SV-резисторами монтировался в безвыводной корпус размером 3×3×0,9 мм. Номинальное сопротивление каждого из резисторов, изготовленных на одном кристалле, равно 1,5 кОм. Испытания датчика показали, что точность измерения углового положения составляет ~1°, диапазон рабочих температур – -40…150°С. Датчик найдет применение в промышленных и автомобильных системах. В 2007 году компания Infineon – крупнейший производитель микросхем датчиков для автомобильных систем безопасности – сообщила о создании микросхемы углового датчика на основе спиновых вентилей модели TLE 5010 [5]. Микросхема датчика измерения углового положения в пределах 360° содержит два моста Уитстона для измерения значений косинуса и синуса угла между приложенным магнитным полем (постоянного магнита) и полем свободного слоя GMR-элемента. Кроме того, в нее входят температурный датчик для точного расчета угла в диапазоне температур от -40 до 150°С, два АЦП для получения данных в цифровом виде, фильтры, несколько стабилизаторов напряжения, каждый со своим детектором пониженного напряжения и перенапряжения, а также встроенная схема упрвления и предварительной обработки сигналов. Значение углового положения точно рассчитывает внешний восьмиразрядный микроконтроллер, присоединяемый к микросхеме датчика через последовательный SSC-интерфейс со скоростью передачи данных 2 Мбит/с. К SSC-интерфейсу микроконтроллера могут подключаться несколько микросхем TLE 5010. Команда синхронизации присоединенной микросхемы пересылается микроконтроллером. Структура SV-резисторов формируется с высокой точностью поверх микросхемы, выполненной по 0,25-мкм КМОП-технологии. Предназначена микросхема для систем определения угла поворота автомобиля, бесщеточных двигателей, поворотных переключателей, универсальных автомобильных устройств определения углового положения. Срок службы углового датчика, по предварительным данным компании Infineon, составляет 15 лет. жүктеу/скачать 0,59 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|